一種純鈦微弧氧化塗層及其應用的製作方法
2023-09-23 23:05:20 1
專利名稱：一種純鈦微弧氧化塗層及其應用的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種純鈦微弧氧化塗層及其應用。
背景技術：
鈦及其合金是應用最廣泛的骨組織替代材料，因為其具有良好的強度、韌性和生物相容性，但是其生物活性及骨誘導性能較差。對鈦合金表面改性可以提高其表面的生物活性，常用的改性方法有等離子噴塗、電化學沉積、溶膠凝膠等。微弧氧化(Microarcoxidation, MAO)又稱微等離子體氧化(Microplasmaoxidation, ΜΡ0)，是 一種是通過電解液與相應電參數的組合，在鋁、鎂、鈦及其合金表面依靠弧光放電產生的瞬時高溫高壓作用，生長出以基體金屬氧化物為主的陶瓷膜層的新技術，由於其製備方法簡單，膜基結合度高，成本低、可在複雜材料上均勻製備塗層，同時可引入對生物活性有益的微量元素等優點而廣受關注。鈣是人體內最豐富的礦物質，參與人體整個生命過程，是人體生命之本。對骨骼的生長發育起著重要作用，可謂骨骼健康的基石。鈣元素在人體生理代謝中，擔負著信使的重任，幾乎參加與所有細胞活動中。鈣元素直接調節神經和肌肉的興奮性。下它在人體中起著自身所能支持的各種作用。矽在水中呈偏矽酸形態被人體吸收，主要分布於人體皮膚及結締組織之中，在骨骼化過程中具有生理上的作用，促進骨骼發育生長。矽還參與多糖的代謝，是構成一些葡萄糖氨基多糖羧酸的主要成分。矽與心血管病有關，人如缺矽，可引起關節炎、動脈硬化、冠心病等心血管病。目前尚未有在微弧氧化塗層中引入S1、Ca元素的報導，更沒有將這種塗層用於細胞相容性研究的報導。
發明內容
本發明的目的是提供一種純鈦微弧氧化塗層及其應用。本發明所提供的純鈦微弧氧化塗層，由基體，以及與所述基體緊密結合的表面多孔的緻密氧化膜組成；所述基體為鈦；所述氧化膜為含有矽元素和鈣元素的銳鈦礦型二氧化鈦；所述矽元素在所述氧化膜中的質量百分含量為2.2% ;所述鈣元素在所述氧化膜中的質量百分含量為1.5%。所述孔的直徑具體為2 μ m。本發明的再一個目的是提供一種製備所述純鈦微弧氧化塗層的方法。本發明所提供的製備所述純肽微弧氧化塗層的方法，具體包括如下步驟:將鈦置於電解液中，以所述鈦為陽極，以不鏽鋼為陰極，在電壓為200V、頻率為600Hz、佔空比為8%的條件下，氧化5min，得到所述純鈦微弧氧化塗層；所述電解液的溶質為矽酸鈉、氫氧化鈉、乙酸鈣、乙二胺四乙酸二鈉，溶劑為水；所述矽酸鈉、所述氫氧化鈉、所述乙酸鈣、所述乙二胺四乙酸二鈉和所述水的配比為14.2g:20g:8.8g:15g:9L ;所述電解液的 pH 為 7.2。在上述方法中，置於所述電解液中的鈦為經過如下前處理的鈦:將鈦片依次經300#或800#或1500#的砂紙打磨後，用丙酮、無水乙醇、去離子水依次超聲清洗、50°C烘乾，得到處理後的鈦。所述純鈦微弧氧化塗層在作為動物體硬組織替換材料或植入體中的應用也屬於本發明的保護範圍。所述動物體硬組織可為關節、骨骼、牙齒等。所述植入體可為人工關節、人工骨、脊骨矯正杆、骨髓內釘、牙科植入物或頭蓋骨等。所述純鈦微弧氧化塗層在作為細胞培養基底材料中的應用也屬於本發明的保護範圍。所述純鈦微弧氧化塗層在製備促進細胞增殖的產品中的應用也屬於本發明的保護範圍。本發明所提供的純鈦微弧氧化塗層主要成分為銳鈦礦型二氧化鈦，並且在塗層表面成功引入了矽元素和鈣元素。實驗證明，與純鈦基體相比，本發明所提供的純鈦微弧氧化塗層具有更強的細胞相容性。培養7天時，作為對照的純鈦基體表面細胞的增殖率僅為
1.8，而本發明所提供的純鈦微弧氧化塗層表面細胞的增殖率可高達4.3。
圖1為純鈦微弧氧化塗層和鈦片的X射線衍射圖譜。圖2為純鈦微弧氧化塗層和鈦片的掃描電子顯微鏡圖譜及其X射線能譜。其中，A為掃描電子顯微鏡圖譜 ；B為X射線能譜。圖3為純鈦微弧氧化塗層和鈦片表面細胞黏附率的統計結果。圖4為純鈦微弧氧化塗層和鈦片表面MC3T3_ElSubclonel4細胞貼壁4h時的掃描電子顯微鏡圖譜。其中，A為鈦片；B為純鈦微弧氧化塗層。圖5為純鈦微弧氧化塗層和鈦片表面細胞增殖率的統計結果。
具體實施例方式下述實施例中所使用的實驗方法如無特殊說明，均為常規方法。下述實施例中所用的材料、試劑等，如無特殊說明，均可從商業途徑得到。實施例1、純鈦微弧氧化塗層的製備及鑑定一、純鈦微弧氧化塗層的製備電解液:14.2g矽酸鈉、20g氫氧化鈉、8.8g乙酸鈣、15g乙二胺四乙酸二鈉，溶於9L的去離子水中，pH7.2。採用商業醫用純鈦，尺寸規格為IOXlOXlmm的鈦片。試樣表面分別依次採用300#, 800#和1500#的砂紙打磨(製作塗層時每組都利用這三種不同砂紙打磨)，然後用丙酮、無水乙醇、去離子水依次超聲(超聲參數功率100赫茲)清洗、50°C烘乾。將清洗後的鈦片作為陽極，置入電解液(配方如上)中，不鏽鋼為陰極。氧化電壓為200V、頻率600Hz、佔空比8%,氧化時間5min。得到純鈦微弧氧化塗層。
二、純鈦微弧氧化塗層的鑑定以尺寸規格相同的鈦片為對照，利用X射線衍射儀(XRD，D/max-Y B, Japan)對步驟一製備的純鈦微弧氧化塗層進行物相分析，使用CuKaX射線源，管電壓40KV，管電流為40mA，連續掃描模式，掃描速度4° /min，衍射角2Θ為10 90°。步驟一製備的純鈦微弧氧化塗層表面形貌觀察利用掃描電子顯微鏡(SEM, Quanta200, FEIC0., American),表面元素含量檢測採用掃描電鏡系統配備的X射線能譜儀(EDS，EDAX, American)。X射線衍射圖譜如圖1所示，從圖中可以看出，純鈦經過步驟一中200V微弧氧化處理後，出現了銳鈦礦衍射峰，圖中鈦的衍射峰主要來自於鈦基體。此外，在2 Θ =25 35°之間出現較寬的背底峰，說明塗層中有非晶態物相。而XRD圖譜沒有發現含矽鈣元素的新物相，因而塗層中含矽鈣產物為非晶態。掃描電子顯微鏡圖譜及其X射線能譜如圖2所示，從掃描電子顯微鏡圖譜(圖2中A)中可以看出，純鈦經過步驟一中200V微弧氧化處理後，鈦基體表面形成典型的微弧氧化多孔結構，多孔直徑的尺寸約為2 μ m。從X射線能譜(圖2中B)中可以看出，步驟一製備的純鈦微弧氧化塗層除了 Ti、0元素外還含有S1、Ca元素，其中Si的質量百分含量約為2.2%，Ca的質量百分含量約為1.5%。這說明在步驟一製備的純鈦微弧氧化塗層中成功的引入了S1、Ca元素。實施例2、純鈦微弧氧化塗層細胞活性實驗實驗細胞:MC3T3-ElSubclonel4 (小鼠顱頂前骨細胞亞克隆14)，中國科學院上海生命科學研究院。實驗試劑:改良型a -MEM Hyclone培養基(賽默飛世爾生物化學製品北京有限公司)；FBS Gibco胎牛血清；Cou Counting kit-8 (CCK8,碧雲天生物技術研究所)；C0222青黴素-鏈黴素溶液(碧雲天生物技術研究所);PBS緩衝液(pH值為7.2-7.6，武漢博士德生物工程有限公司);戊二醛(國藥集團化學試劑有限公司);多聚甲醛(天津科密歐化學試劑有限公司)；叔丁醇；鋨酸；無水乙醇(體積分數為50%、70%、90%、95%和100%)。實驗分組:實施例1中步驟一製備得到的純鈦微弧氧化塗層(實驗組);尺寸規格與純鈦微弧氧化塗層相同的鈦片(對照組)。一、細胞黏附測試1、細胞培養待MC3T3-ElSubcl0nel4細胞完全匯合時，倒掉舊的培養液，PBS緩衝液洗滌後，力口入消化液(終濃度為0.25g/100mL的胰蛋白酶+終濃度為0.03g/100mL的EDTA)消化，顯微鏡下觀察見細胞間隙增大，回縮變圓，少許細胞已脫壁時，用完全培養液(改良型a -MEMHyclone培養基中加入體積含量10%的FBS，以及終濃度為20% (20g/100ml)的C0222青黴素-鏈黴素)中和胰蛋白酶終止其消化作用，吹打製成單細胞懸液，洗滌離心5min (1000轉/min)，用完全培養液重新懸起製成單細胞懸液。置於37°C、5%C02及飽和溼度條件下的二氧化碳細胞培養箱中培養。24h後換液，以後每3天換液一次，細胞長滿培養皿底70%左右時，以消化液傳代(傳代比例為1:2)。倒置顯微鏡觀察細胞生長情況，期間注意有無汙染。2、細胞黏附測試將實施例1中步驟一製備得到的純鈦微弧氧化塗層(實驗組)，以及尺寸規格與純鈦微弧氧化塗層相同的鈦片(對照組)分別置於24孔培養板內，細胞以消化液消化後按5 X 1O5個/孔的密度接種於培養板中，每孔加入完全培養液1.0ml，置入培養箱中培養，細胞接種後分別在0.5h、lh、2h、4h終止培養，用PBS緩衝液輕輕衝洗試件(塗層或鈦片)3次，洗去未能貼附的MC3T3-ElSubcl0nel4細胞後，將試件轉入另一個24孔培養板中，每孔加
.0.3ml消化液消化3分鐘，加完全培養液終止消化，輕輕吹打試件，製成單細胞懸液，計細胞數，按公式(I)計算細胞黏附率Ln。實驗中，對於每一檢測時間點，兩組均設置3次重複，結果取3次重複的平均值，並採用SAS6.0軟體包對數據進行單因素方差分析。Ln= (Tn/Jn) X (Sp/Ss) X 100% (I)式中，Tn為粘附在試件上的細胞數Jn為接種細胞數；Sp為培養孔底面積；Ss為試件表面積。另外，在細胞培養4h時，對試件(塗層或鈦片)表面的MC3T3_ElSubclonel4細胞採用掃描電子顯微鏡進行形態觀察。具體如下:細胞依次採用PH7.2的PBS緩衝液配置體積分數為2.5%的戊二醛、體積分數為1%鋨酸固定，固定時間均為30分鐘。然後用體積分數分別為50%、70%、90%、100%的乙醇依次脫水，用純叔丁醇置換乙醇，然後將樣品放入_20°C的冰箱冷凍30min，用ES-2030 (HITACHI)型冷凍乾燥儀對樣品進行臨界乾燥。處理後樣品噴金後利用掃描電子顯微鏡(SEM, Quanta200, FEIC0.，American)觀察細胞形態。細胞黏附率的統計結果如表I和圖3所示，細胞貼壁0.5、l、2h、4h的兩組數據之間P〈0.05，具有統計意義。隨著時間的增加細胞在實施例1中步驟一製備得到的純鈦微弧氧化塗層表面及鈦片表面的粘附率均提高，接種4h後鈦片表面細胞黏附率約為38.5%，而實施例1中步驟一製備得到的純鈦微弧氧化塗層表面細胞黏附率約為29.6%，兩者之間差距明顯變小。另外，細胞貼壁4h時，對試件(塗層或鈦片)表面的MC3T3-ElSubclonel4細胞採用掃描電子顯微鏡進行形態觀察的結果如圖4所示，從圖中可以看出，貼壁4h後鈦片表面的成骨細胞形態豐滿，已經出現絲狀偽足和板狀偽足，細胞完全黏附在鈦的表面，伸展的面積大；而實施例1中步驟一製備得到的純鈦微弧氧化塗層表面成骨細胞成球形，尚未完全伸展。表I不同時間點兩組中細胞黏附率的統計結果(單位:％)
重複I重複2重複3平均值
實驗組對照組實驗組對照組實驗組對照組實驗組對照組
0.5h 0.203 0-245 0,234 0.256 0.210 0.223 0-215667 0.241333 Ih 0.221 0.256 0.250 0.248 0.223 0.238 0.231333 0.247333 2h 0-256 0.319 0.245 0.312 0.259 0.320 0.253333 0.317667 4h 0.294 0.388 0.298 0.385 0.297 0.381 0.296333 0.384667二、細胞增殖測試1、細胞培養同步驟一中I所述。2、細胞增殖測試將實施例1中步驟一製備得到的純鈦微弧氧化塗層(實驗組)，以及尺寸規格與純鈦微弧氧化塗層相同的鈦片(對照組)分別置於24孔培養板內，同時設置不加入試件(塗層或鈦片)的孔作為無試件對照，細胞以消化液消化後按5X IO4個/孔的密度接種於培養板中，每孔加入完全培養液1.0mL,置入培養箱中培養，分別培養1、4、7、10天後，用PBS緩衝液衝洗3次後，每孔加0.3mL消化液消化3分鐘，加完全培養液終止消化，輕輕吹打成單細胞懸液，洗滌離心5min( 1000轉/min)，用200 μ L完全培養液重新懸起製成單細胞懸液，並加入CCK-8液20 μ L，在5%C02、飽和溼度、37°C環境下繼續培養4h，4h後於各孔中吸出100 μ L置於96孔板中，以酶標儀在450nm波長測定吸光度OD值，同時設置僅加入200 μ L完全培養液和20 μ L CCK-8液，但不加入細胞的空白孔，進行0D450的檢測，進而按照公式(2)計算細胞增值率ODa。實驗中，對於每一檢測時間點，兩組均設置3次重複，結果取3次重複的平均值，並採用SAS6.0軟體包對數據進行單因素方差分析。ODa=(ODs-ODb)/(ODc-ODb)X100% (2)
式中，ODs為實驗組或對照組(含有試件、細胞、完全培養液和CCK-8液)的0D450值；0Dc為無試件對照組(含有細胞、完全培養液和CCK-8液)的0D450值；0Db為空白孔(含有完全培養液和CCK-8液)的0D450值。細胞增殖率的統計結果如表2和圖5所示，從表中可以看出，在相同的培養時間內，實施例1中步驟一製備得到的純鈦微弧氧化塗層表面細胞的增殖能力明顯好於鈦片對照，接種細胞I天后實施例1中步驟一製備得到的純鈦微弧氧化塗層表面的細胞增殖率達到0.593以上，隨著細胞培養時間的增長，鈦片和實施例1中步驟一製備得到的純鈦微弧氧化塗層表面細胞的增殖率均提高，在細胞培養7天時鈦片表面增殖率約為0.713，實施例1中步驟一製備得到的純鈦微弧氧化塗層表面增殖率達到約1.172。細胞培養10天，細胞增殖率基本不再增加，並且成骨細胞數量有所下降，表明細胞培養10天時活力已經下降。實驗結果表明實施例1中步驟一製備得到的純鈦微弧氧化塗層能促進成骨細胞在其表面增殖。由於在細胞增殖階段，只有當細胞達到一定的數量，才能保證後續過程中形成三維的細胞外基質結構，進而促進成骨細胞在種植體表面進一步分化和行使功能，所以相對於鈦片對照，實施例1中步驟一製備得到的純鈦微弧氧化塗層能加快細胞增殖速率，更加有利於快速形成三維細胞外基質結構。表2不同時間點兩組中細胞增殖率的統計結果
權利要求
1.純鈦微弧氧化塗層，由基體，以及與所述基體結合的表面多孔的氧化膜組成； 所述基體為鈦；所述氧化膜為含有矽元素和鈣元素的銳鈦礦型二氧化鈦； 所述矽元素在所述氧化膜中的質量百分含量為2.2% ;所述鈣元素在所述氧化膜中的質量百分含量為1.5%。
2.根據權利要求1所述的純鈦微弧氧化塗層，其特徵在於:所述孔的直徑為2μ m。
3.製備權利要求1或2所述純鈦微弧氧化塗層的方法，包括如下步驟:將鈦置於電解液中，以所述鈦為陽極，以不鏽鋼為陰極，在電壓為200V、頻率為600Hz、佔空比為8%的條件下，氧化5min，得到所述純鈦微弧氧化塗層； 所述電解液的溶質為矽酸鈉、氫氧化鈉、乙酸鈣、乙二胺四乙酸二鈉，溶劑為水；所述矽酸鈉、所述氫氧化鈉、所述乙酸鈣、所述乙二胺四乙酸二鈉和所述水的配比為14.2g:20g:8.8g:15g:9L ;所述電解液的pH為.2。
4.權利要 求1或2所述純鈦微弧氧化塗層在作為動物體硬組織替換材料或植入體中的應用。
5.權利要求1或2所述純鈦微弧氧化塗層在作為細胞培養基底材料中的應用。
6.權利要求1或2所述純鈦微弧氧化塗層在製備促進細胞增殖的產品中的應用。
全文摘要
本發明公開了一種純鈦微弧氧化塗層及其應用。本發明所提供的純鈦微弧氧化塗層由基體，以及與所述基體結合的表面多孔的氧化膜組成；所述基體為鈦；所述氧化膜為含有矽元素和鈣元素的銳鈦礦型二氧化鈦；所述矽元素在所述氧化膜中的質量百分含量為2.2%；所述鈣元素在所述氧化膜中的質量百分含量為1.5%。實驗證明，與純鈦基體相比，本發明所提供的純鈦微弧氧化塗層具有更強的細胞相容性，培養7天時，作為對照的純鈦基體表面細胞的增殖率僅為0.713，而本發明所提供的純鈦微弧氧化塗層表面細胞的增殖率可高達1.172。
文檔編號C25D11/26GK103147111SQ20131009645
公開日2013年6月12日 申請日期2013年3月25日 優先權日2013年3月25日
發明者鄒智群, 李元忠, 趙秀蘭, 李德超, 劉雲, 朱建華, 王洪豔, 潘攀, 黑曉霞, 胡忠博, 王萌, 姜全春, 劉楠楠, 吳孝楠, 曲平川, 劉曉晶, 王春娜, 劉苗, 陳乙滋, 周宏志, 張蕊 申請人:鄒智群